連梁保險(xiǎn)絲非線性仿真分析

單文彥，陳　云，2*

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

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連梁保險(xiǎn)絲非線性仿真分析

單文彥1，陳云1，2*

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

摘要：連梁保險(xiǎn)絲通常設(shè)置在聯(lián)肢剪力墻中，在強(qiáng)震時(shí)通過其屈服耗散地震能量，震后方便對(duì)受損的連梁保險(xiǎn)絲進(jìn)行修復(fù)或更換。本文研發(fā)了一種新型的連梁保險(xiǎn)絲，即在低屈服點(diǎn)工字型鋼的腹板開設(shè)菱形空洞，增大保險(xiǎn)絲的屈服區(qū)域。首先對(duì)其進(jìn)行了材料性能試驗(yàn)，然后基于ABAQUS有限元程序，建立了連梁保險(xiǎn)絲的實(shí)體有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了精細(xì)仿真分析。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，計(jì)算模型可以較好地模擬保險(xiǎn)絲的變形、屈服順序及其滯回曲線和骨架曲線。因此這種模擬方法對(duì)類似保險(xiǎn)絲的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：連梁；連梁保險(xiǎn)絲；仿真分析；試驗(yàn)

引文格式：?jiǎn)挝膹?，陳云，?連梁保險(xiǎn)絲非線性仿真分析[J].森林工程，2016，32(1)：83-86.

0引言

目前可用于連梁的保險(xiǎn)絲種類甚多，很多阻尼器都可作為可更換連梁保險(xiǎn)絲?？筛鼡Q連梁保險(xiǎn)絲除了應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的耗能能力之外，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度以及耐久性要求。保險(xiǎn)絲的剛度主要是滿足連梁在小震作用下應(yīng)當(dāng)保持彈性的要求。保險(xiǎn)絲的強(qiáng)度是連梁對(duì)墻肢提供約束彎矩大小的依據(jù)，保險(xiǎn)絲的強(qiáng)度越大，連梁對(duì)墻肢提供的約束彎矩越大，但保險(xiǎn)絲的強(qiáng)度一定要合理，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲先于墻肢縱筋屈服，才能實(shí)現(xiàn)保護(hù)墻肢安全的目的。

連梁保險(xiǎn)絲還應(yīng)具備造價(jià)低廉、連接方便和設(shè)計(jì)概念清晰的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲除了耗能的作用外，其受力狀態(tài)比較復(fù)雜，要承受彎矩、剪力和軸力的作用，起著對(duì)墻肢提供約束彎矩的重要作用。金屬阻尼器因其價(jià)格低廉，強(qiáng)度和剛度的大小設(shè)計(jì)較易控制，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)后耗能性能優(yōu)越，在目前的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

在已有研究的基礎(chǔ)上[1-6]，本文針對(duì)提出的腹板開孔的連梁保險(xiǎn)絲，建立了其實(shí)體有限元模型，重點(diǎn)通過精細(xì)仿真分析研究了新型連梁保險(xiǎn)絲的變形、等效塑性應(yīng)變發(fā)展過程及其滯回曲線和骨架曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1連梁保險(xiǎn)絲的開發(fā)

如圖1和圖2所示為新型連梁保險(xiǎn)絲的加工尺寸圖和照片[5]。保險(xiǎn)絲是一段普通工字型鋼，腹板開有菱形孔。腹板開菱形孔是為了使腹板能夠大部分屈服耗能，增強(qiáng)保險(xiǎn)絲的耗能能力，合理的屈服順序是最弱的截面先屈服，通過材料的強(qiáng)度硬化，達(dá)到腹板大部屈服的目的。這類保險(xiǎn)絲一般設(shè)計(jì)為剪切屈服耗能構(gòu)件。

圖1　保險(xiǎn)絲的尺寸Fig.1 Fuse size

圖2　保險(xiǎn)絲的照片F(xiàn)ig.2 Photo of the fuse

2ABAQUS有限元模型

可更換連梁保險(xiǎn)絲的所有單元均采用ABAQUS程序的8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元C3D8R來模擬。減縮積分單元比完全積分單元在每一個(gè)方向上少用一個(gè)積分點(diǎn)，即使存在扭曲變形時(shí)，分析精度不會(huì)受到大的影響，在彎曲荷載下也不容易發(fā)生剪切自鎖[7]。建模時(shí)，利用高級(jí)網(wǎng)格劃分技巧，絕大部分實(shí)體采用六面體單元，這樣可以減少由于單元退化帶來的計(jì)算誤差。

可更換連梁保險(xiǎn)絲的材性試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)質(zhì)檢站進(jìn)行，材性試驗(yàn)得到的鋼板各項(xiàng)材料性能指標(biāo)見表1。

表1　鋼板的各項(xiàng)材料性能

模型建好后的可更換連梁保險(xiǎn)絲的有限元模型如圖3(a)所示，有限元模型一共劃分了4 488個(gè)單元，7 108個(gè)節(jié)點(diǎn)，腹板部分由于應(yīng)力較大，且考慮到小孔處可能產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此該位置的網(wǎng)格劃分比較密。材料本構(gòu)模型采用彈塑性強(qiáng)化模型。

加載的工況與試驗(yàn)一致，考慮到試驗(yàn)中保險(xiǎn)絲是安裝在四連桿機(jī)構(gòu)上加載，四連桿機(jī)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度較大，保險(xiǎn)絲主要產(chǎn)生剪切變形。因此，模擬時(shí)約束保險(xiǎn)絲頂部端板的豎向自由度。

圖3　保險(xiǎn)絲的有限元模型和變形圖Fig.3 Finite element model and deformation of the fuse

3分析結(jié)果

3.1保險(xiǎn)絲的變形

約束保險(xiǎn)絲頂部端板的豎向自由度后，對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行水平加載，保險(xiǎn)絲的變形如圖3(b)所示，保險(xiǎn)絲的小孔處的變形較大，特別是小孔處的45°方向的變形較大，而且小孔45°方向的屈曲較為嚴(yán)重，這與試驗(yàn)中該處產(chǎn)生撕裂的現(xiàn)象一致。因此，通過保險(xiǎn)絲的變形圖可以發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲變形或屈曲較大的位置，有助于判斷保險(xiǎn)絲的可能失效部位。

3.2保險(xiǎn)絲的應(yīng)變發(fā)展

等效塑性應(yīng)變(PEEQ)是描述構(gòu)件整個(gè)變形過程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果，等效塑性應(yīng)變大于零，表示材料發(fā)生了屈服[8-14]。等效塑性應(yīng)變的定義如下所示：

(1)

(2)

因此，材料在不同位移循環(huán)下的等效塑性應(yīng)變?cè)酱?，表示結(jié)構(gòu)的累積塑性變形越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)在此開裂的可能性也就越大。圖4表示了在不同的剪切位移角下，可更換連梁保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變的發(fā)展過程。

通過上述保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變發(fā)展過程，總結(jié)保險(xiǎn)絲的各部分屈服順序。即保險(xiǎn)絲的屈服首先發(fā)生在小孔附近，保險(xiǎn)絲的剪切位移角達(dá)到3.45%時(shí)，小孔周邊累積塑性變形嚴(yán)重(如圖4(f)所示)，而試驗(yàn)現(xiàn)象中，保險(xiǎn)絲的剪切角為3.55%時(shí)，小孔周邊開始產(chǎn)生微裂縫，因此計(jì)算分析與試驗(yàn)現(xiàn)象比較吻合(見表2和表3)。如圖4(h)所示，分析表明小孔兩側(cè)累積塑性變形沿著 45°方向非常嚴(yán)重，這與最終試驗(yàn)中保險(xiǎn)絲的破壞情況非常相似，試驗(yàn)中保險(xiǎn)絲的裂縫正是沿著與水平線成45°～60°之間，向著翼緣擴(kuò)展，如圖5所示[5]。因此，通過對(duì)保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變發(fā)展過程分析，可以比較準(zhǔn)確地得到構(gòu)件各部分的屈服順序，有助于對(duì)保險(xiǎn)絲的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4　保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變發(fā)展過程Fig.4 Equivalent plastic strain development of the fuse

圖5　試件的變形圖Fig.5 Deformation of the fuse

剪切角/%構(gòu)件各部分屈服順序0.23小孔兩側(cè)由于應(yīng)力集中首先產(chǎn)生屈服0.50小孔四周都產(chǎn)生屈服0.99腹板屈服范圍沿著小孔周圍不斷擴(kuò)大1.29屈服范圍擴(kuò)展到整個(gè)腹板2.46翼緣開始產(chǎn)生屈服3.45翼緣屈服范圍擴(kuò)大,小孔周邊累積塑性變形嚴(yán)重5.00翼緣屈服范圍繼續(xù)增大6.46翼緣大部分屈服,小孔兩側(cè)累積塑性變形沿著45°方向非常嚴(yán)重

表3　保險(xiǎn)絲的試驗(yàn)現(xiàn)象

3.3保險(xiǎn)絲的滯回性能分析

對(duì)保險(xiǎn)絲做低周反復(fù)加載，加載工況與試驗(yàn)一致，對(duì)保險(xiǎn)絲的滯回性能進(jìn)行模擬。如圖6所示，試驗(yàn)的滯回曲線只取了下降段之前的部分，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲的腹板開始撕裂后的性能在計(jì)算中很難模擬出來。由圖6可知，模擬得到的保險(xiǎn)絲滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果很相似。不足之處是模擬的曲線更加飽滿一些，卸載的剛度更大，但屈服承載力和峰值承載力模擬的效果較好。

圖6　保險(xiǎn)絲的試驗(yàn)與模擬滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves comparison between test and simulation

圖7　保險(xiǎn)絲的試驗(yàn)與模擬骨架曲線Fig.7 Skeleton curves comparison between test and simulation

如圖7所示，計(jì)算與試驗(yàn)的骨架曲線基本接近，試驗(yàn)所得的保險(xiǎn)絲的初始剛度略大于計(jì)算，總體來講，通過ABAQUS有限元程序模擬保險(xiǎn)絲的滯回性能和骨架曲線能夠得到比較好的結(jié)果。

4結(jié)論

本文對(duì)提出的保險(xiǎn)絲進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，試驗(yàn)研究表明保險(xiǎn)絲在腹板開裂前的性能較好，滯回曲線非常飽滿，但在腹板開裂后性能下降較多。這表明在保險(xiǎn)絲的腹板開菱形孔能夠有效增大腹板的屈服區(qū)域，增強(qiáng)保險(xiǎn)絲的耗能能力，但要適當(dāng)增大孔洞的夾角并采取有效措施減小開孔處的應(yīng)力集中?；贏BAQUS有限元程序，建立了保險(xiǎn)絲的實(shí)體有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了精細(xì)仿真分析，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究表明，計(jì)算模型可以較好地模擬保險(xiǎn)絲的變形、屈服順序及其滯回曲線和骨架曲線，因此，這種模擬方法對(duì)類似保險(xiǎn)絲的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]呂西林，陳云，毛苑君.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的新概念-可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，39(7):941-948.

[2]呂西林，陳云.一種可更換連系梁:中國(guó)，ZL 2010 2 0217583.0[P].2011-01-19.

[3]呂西林，陳云，蔣歡軍.新型可更換連梁研究進(jìn)展[J].地震工程與工程振動(dòng)，2013，33(1)：8-15.

[4]Chen Y，Lu X.New replaceable coupling beams for shear wall structures[A].Proceedings of 15WCEE[C]，Portugal：Lisbon，Paper-ID：2583，2012.

[5]呂西林，陳云，蔣歡軍.可更換連梁保險(xiǎn)絲抗震性能試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(9)：1318-1325+1332.

[6]Lu Xi-lin，Mao Yuan-jun，Chen Yun.Test and analysis on shear walls with replaceable devices under cyclic loading for earthquake resilient structures [C] // Proceedings of 9th International Conference on Urban Earthquake Engineering/4th Asia Conference on Earthquake Engineering.Tokyo，2012.

[7]ABAQUS Inc.ABAQUS User Manual.V6.9.1，2009.

[8]石亦平，周金蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[9]陸新征，葉列平，繆志偉.建筑抗震彈塑性分析-原理、模型與在ABAQUS，MSC.MARC和SAP2000上的實(shí)踐[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[10]王金昌，陳頁(yè)開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社，2007.

[11]莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[12]莊茁.ABAQUS/Standard有限元軟件入門指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[13]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題與解答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[14]曹金鳳，王旭春，孔亮.Python語(yǔ)言在ABAQUS中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Nonlinear Simulation Analysis of Coupling Beam Fuse

Shan Wenyan1，Chen Yun1，2*

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；

2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

Abstract：Coupling beam fuses are usually set and used to dissipate seismic energy in the coupled shear wall structures under strong earthquakes.It is convenient to replace or repair the damaged fuse after earthquakes.This paper firstly develops a new kind of coupling beam fuse，i.e.，setting a rhombic hole in the web of H shaped steel，to enlarge the yield region of the fuse.The material property test of the fuse was performed in the laboratory and key material parameters were obtained.Based on the ABAQUS procedure，a solid finite model of fuse was established.The fine simulation of the fuses was conducted through cyclic loading.By comparing the computational and experimental results，it was found that the simulation method can precisely predict the deformation，yield sequence，hysteretic curves，and skeleton curve of the fuse.Thus，the simulation method can be widely used to simulate similar coupling beam fuses.

Keywords：coupling beam；coupling beam fuses；simulation analysis；test

*通信作者：陳云，博士。研究方向：結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究。 E-mail: chenyunhappy@163.com

作者簡(jiǎn)介：第一單文彥，本科。研究方向：結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408170)；海南省科協(xié)青年科技人才學(xué)術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃資助(201501)；海南大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(kyqd1401)

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號(hào)：TU 375；P 315.952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)01-0083-04